CC BY
123
УДК 57.047 ББК 28.08
Яброва Ю.И., Швабенланд И.С.
РОЛЬ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ НА ПЕРВИЧНОЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ ОТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНО-БЕЙСКОГО УГОЛЬНОГО
РАЗРЕЗА РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ
Yabrova Y.I., Shvabenland I.S.
SOIL BIOTA'S ROLE ON PRIMARY SOIL FORMATION OF DUMPS VSKRYSHNYKH OF BREEDS OF EAST BEISCOV COAL MINE
OF THE REPUBLIC KHAKASSIA
Ключевые слова: почвенная биота, почвообразовательный процесс, первичное почвообразование, отвалы вскрышных пород и т.д.
Keywords: soil biothat, pochvoobrazovatelny process, primary soil formation, dumps of vskryshny breeds etc.
Аннотация
В статье рассматривается роль почвенной биоты в первичном почвообразовании отвалов вскрышных пород Восточно-Бейского угольного разреза Республики Хакасия. Первичное почвообразование характеризуется малой мощностью субстрата, охватываемой почвообразованием, медленной аккумуляцией элементов почвенного плодородия. Профиль очень слабо дифференцируется на генетические горизонты. Начальное почвообразование сменяется стадией развития почвы, которая протекает с нарастающей интенсивностью, вплоть до формирования зрелого почвы с характерным профилем и комплексом свойств.
Abstract
In article the role soil biota,s in primary soil formation of dumps of vskryshny breeds of East Beiscov coal mine of the Republic Khakassia is considered. Primary soil formation is characterized by the low power of a substratum covered by soil formation, slow accumulation of elements of soil fertility. The profile is very poorly differentiated on the genetic horizons. Initial soil formation is replaced by a stage of development of the soil which proceeds with accruing intensity, up to formation mature soils with a characteristic profile and a complex of properties.
Стремительный рост потребления природных ресурсов сопровождается не только изменением количественных масштабов антропогенного воздействия, но и проявлением новых факторов, влияние которых на природу становится доминирующим. В процессе горного производства образуются и быстро увеличиваются пространства, нарушенные горными выработками, отвалами пород и отходов переработки и представляющие собой бесплодные поверхности, отрицательное влияние которых распространяется на окружающие территории. Такие антропогенные нагрузки негативно воздействуют на природные экосистемы. Наиболее важную категорию представляют собой почвенные микроорганизмы. Почвенные беспозвоночные используются в качестве индикаторных видов, так как они наиболее чувствительные к антропогенному воздействию [1].
Почвенная биота представляет собой живой компонент, состоящий из разнообразных представителей растительного и животного мира. Большая часть биоты -микроскопические создания, невидимые простым глазом. Основные группы биоты составляют: почвенные бактерии, актиномицеты, почвенные грибы и водоросли,
простейшие одноклеточные организмы, черви, мелкие животные. Согласно особенностям образа жизни и влияния на почву животных делят на группы - микро-, мезо- и макрофауну (рис. 1). Из первой группы еще вычленяют нанофауну, которая представлена
одноклеточными простейшими, размеры которых не выходят за пределы двух-трех десятков микрометров. К этой группе также относятся микроорганизмы [2].
Почвенная фауна
червь
микрофауна
жгутиковые
амебы инфузории круглые черви колвратки ■ тихоходки
мезофауна
- лжескорпионы
- клещи
- многоножки
- коллемболы
макрофауна
- дождевой
- мокрица
- жужелица
- медведка
- хрущ
Рис. 1. - Главные группы почвенной фауны и их представители (Черновой Н.М., 2004 по Би^ег 1974)
Почвообразовательный процесс - это неоднородный процесс, который представляет сложное явление, составляющееся из элементарных процессов - отдельных физико-химических явлений: разложение минеральной основы и органического вещества,
новоообразования, выщелачивание, засоление, оглеение, гумусонакопление и так далее
[3].
Разложение и гумификацию органических остатков нужно рассматривать как почвенно-биологические процессы специфического характера, обусловленные главным образом сопряженной деятельностью почвенной микрофлоры и фауны. Разложение растительных остатков происходит также при взаимодействии почвенной биоты, где между представителями почвенной фауны складываются симбиотические отношения (рис. 2.)
[4].
Рис. 2. - Схема детритной пищевой цепи в почве (по Б. Р. Стригановой, 1980) Отличительными характеристиками первичного почвообразования являются: малая мощность субстрата, медленная аккумуляция элементов почвенного плодородия и слабая дифференциация на генетические горизонты. В этих экстремальных экологических условиях первыми поселенцами являются разнообразные автотрофные микроорганизмы, среди которых преобладают неспороносные бактерии и микобактерии, способные к азотфиксации. Именно микроорганизмы синтезируют вещества, необходимые для жизнедеятельности других организмов. Далее в первичном почвообразовании последовательно сменяют друг друга следующие группировки организмов: лишайники, сначала эндолитические, затем эпилитические (накипные, листоватые, кустистые), мхи -древесные и травянистые растения. Таким образом, почва является неотъемлемым компонентом природных экосистем, из которых состоит биосфера, входя в них в качестве особой подсистемы, связанной с другими подсистемами данной экосистемы и окружающих экосистем многочисленными прямыми и обратными связями (рис. 3.) [5].
Рис. 3. - Структура природных наземных экосистем и их связей в ландшафте
Вопрос о микроорганизмах особенно важен еще и потому, что по-своему значению в природе и практике человека микробы являются чем-то вроде живых «химических реакторов» и по интенсивности биохимической деятельности не имеют себе равных. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ, включающий в себя питание и выделение. Однако в природе этого не происходит, поскольку рост микробных популяций всегда ограничен лимитом внешних факторов. В почве за счет деятельности
микроорганизмов непрерывно протекают процессы распада растительных и животных остатков, сложных синтетических соединений до минеральных веществ и газообразных продуктов. Микроорганизмы используются в процессах биосинтеза самых различных продуктов, что делает их особенно важными [6].
При микроморфологическом изучении почв можно наблюдать характерные особенности расположения микроорганизмов. Большинство микроорганизмов находится в адсорбированном на твердых частицах состоянии: в перегнойно-глеевой почве и в черноземе 90% всех клеток, в дерново-подзолистых и в серых лесных почвах 50-60%, в каштановых почвах, красноземах, сероземах 70-80 %. При этом выяснилось, что одни частицы засеелны очень плотно, другие слабее. Также важной особенностью распространения микроорганизмов в почвах является его микроочаговость,
микрозональность. Прослеживаемая вплоть до отдельных почвенных частиц. Наблюдается тесная связь микроорганизмов в почвенном профиле с распределением новообразований, многие из которых обязаны своим происхождением именно
деятельности микроорганизмов, особенно нвообразования железа и сульфидов. Основной закономерностью распределения микроорганизмов в почве служит совершенно четкая связь с генетическими горизонтами. Каждый горизонт имеет специфический состав микрофлоры и особую плотность микробных популяций [3].
Восточно-Бейский угольный разрез республики Хакасия ведет добычу угля открытым способом и входит в состав Минусинского каменноугольного бассейна. На территории месторождения отмечены отвалы вскрышных пород различной давности (возраста). На разрезе имеется несколько участков. Горный участок производит вскрышные работы и добычу угля, транспортный участок занимается перевозками угля и
породы, эксплуатацией и ремонтом карьерных автосамосвалов, автобусов, грузовых и легковых автомашин. Погрузочно-транспортный участок отвечает за перевозки угля на железнодорожную станцию и погрузку угля в железнодорожные вагоны. Таким образом, отвалы вскрышных пород соответственно называются: бестранспортный, транспортный и отвалы с естественным самозарастанием.
Расселение микроорганизмов на исследуемых отвалах происходит по-разному, что характеризуется возрастом и природой отвала. Отвальная смесь - бесструктурная, находится в несвязанном состоянии и свободно рассыпается отдельными зернами.
Фоновыми почвами Бейского района являются черноземы выщелоченные, для которых характерно следующее содержание микроорганизмов: азотфиксирующих (1,7*106 кл/г почвы ), сапротрофных (8,2*106 кл/г почвы), железовосстанавливающих (0,78*106 кл/г поч-вы ) и сульфатвосстанавливающих (0,13*106 кл/г почвы ) (рис. 4).
■ сапртрофн -+ азотфиксир
железовосст
■ сульфатвосст
Рис. 4. - Содержание основных физиологических групп микроорганизмов в черноземе выщелоченном, кл/г почвы
На территории Восточно-Бейского угольного разреза, а именно, на отвалах вскрышных пород нами были отмечены следующие группы микроорганизмов: азотфиксирующие, сульфатвосстанавливающие и железовосстанавливающие. Под воздействием антропогенной нагрузки снижается общая численность всех выявленных микроорганизмов. Численность сульфатвосстанавливающих микроорганизмов уменьшается, так как идет потеря гумусовых веществ (рис. 5).
0,000000050
0,000000045
0,000000040
0,000000035
0,000000030
0,000000025
0,000000020
0,000000015
0,000000010
0,000000005
0,000000000
0,000000043
0,000000035
0,000000017
Рис. 5. - Содержание сульфатвосстанавливающих микроорганизмов на отвалах вскрышных пород, кл/г почвы (1 - транспортный отвал, 2 - бестранспортный отвал,
3 - отвал естественнозарастающий)
Численность азотфиксирующих микроорганизмов также уменьшается, но на отвалах с естественным зарастанием повышается, так как микрофлора взаимодействует с корнями растений (рис. 6).
Рис. 6. - Содержание азотфиксирующих микроорганизмов на отвалах вскрышных пород, кл/г почвы (1- транспортный отвал, 2 - бестранспортный отвал,
3 - отвал естественнозарастающий)
Фактором, ограничивающим размножение железовосстанавливающих бактерий на отвалах вскрышных пород, является снижение количества железа (рис. 7).
0,00000040
0,00000035
0,00000030
0,00000025
0,00000020
0,00000015
0,00000010
0,00000005
0,00000000
0,00000034
0,00000026
0,00000024
1
2
3
Рис.7. - Содержание железовосстанавливающих микроорганизмов на отвалах вскрышных пород, кл/г почвы (1- транспортный отвал, 2 - бестранспортный отвал,
3 - отвал естественнозарастающий)
Таким образом, количество микробной флоры напрямую зависит от плодородия почв: чем плодороднее почвы, чем больше в них перегноя, тем плотнее заселены они микроорганизмами. Накопление микроорганизмов в значительной степени зависит от количественного и качественного содержания органических веществ в свежеотмерших растительных и животных остатках и продуктах их первичного распада; вначале микробов больше, а после минерализации уменьшается [7].
При исследовании данной проблемы нами были определены запасы растительного вещества на территории исследования, что позволяет иметь представление о количестве растительной массы, участвующей в процессах почвообразования [8].
В результате исследования нами было выявлено, что запасы растительного вещества в исследуемых объектах изменяются в широких пределах.
Таким образом, соотношение между надземными и подземными компонентами растительного вещества составляет: 0,34 - на фоновой почве (каштановая почва); 1,89 и 1,65 на отвале, занятом под естественной растительностью; 0,19 - на бестранспортном отвале; 0,12 - на транспортном отвале.
Среди соотношения между подземным и надземным растительным веществом предпочтение отдается подземному, хотя на транспортном отвале доминирует надземное растительное вещество.
Также нами было установлено, что почвенная микрофлора в субстратах-загрязнителях насчитывает не более нескольких тысяч КОЕ на 100 г субстрата. Данные микробиологического анализа показывают, что почвенная микрофлора золоотвала на Восточно-Бейском угольном разрезе представлена аммонифицирующими, денитрофицирующими, масляно-кислыми бактериями. В образцах обнаружено малое количество олигонитрофильных нитрифицирующих, а также бактерий, разлагающих клетчатку, грибов и актиномицетов. Содержание подвижного калия (К2О) - 6,7 мг на 100 г субстрата, нитратного азота менее 1,3 мг на 100 г субстрата, рН сол. 9,0. Самозарастание отвалов Восточно-Бейского каменноугольного разреза идет крайне медленно, что связано с небольшим содержанием азота в субстрате и неустойчивостью водного режима. Поэтому разработанная ранее композиция биопрепаратов на основе бактерий - Azotobacter chroococcum, Bacillus mucilaginosus, а также консорциумов микроорганизмов, продуцирующих фитогормоны и регуляторы роста, применяется к каждому субстрату-загрязнителю. Этот способ рекультивации оказался очень эффективным. Его можно
рассматривать как интродукцию комплекса отселектированных почвенных микроорганизмов в субстрат, которые приживаются в почвогрунте уже через 2-3 месяца.
На рекультивируемую площадь вносились минеральные удобрения (нитроаммофос), а непосредственно перед посевом семян - активатор почвенной микрофлоры. Предпосевную обработку семян многолетних трав эндемиков (люцерна, волосенец) проводили активатором прорастания семян, азотовитом, ризокомплексом и бактофосфином. Через месяц после появления всходов посевы обрабатывали активатором фотосинтеза. Визуальная оценка рекультивируемой площадки на второй год (2010 г) рекультивации выявила 82-84% зелёного покрова от проектного. Высота травостоя в среднем составляла 56-72 см. Появились дикорастущие травы, семена которых были занесены ветром (полынь горькая, пырей ползучий, бескильница и др.). С помощью трав происходит также очищение рекультивируемого грунта от тяжелых металлов, которые через корневую систему попадают в листья и стебли. После скашивания трава сжигалась в герметичных печах, а из золы выделялись металлы.
К концу вегетационного периода (осенью) начался процесс активного развития почвенной микрофлоры. Определение состава микробиоценоза золоотвала рекультивации в 2009-2010 гг., показало, что внесённые в золоотвал биопрепараты значительно активизировали в нём процессы почвообразования и биологическую активность. При этом численность актиномицетов и олигонитрофилов повысилась на два порядка, численность бактерий, разлагающих клетчатку, - на несколько порядков, рН достигало 7,4 - 7,8 по сравнению с 9,0 начальным значением, отмечено начало накопления органического вещества. Каталазная активность составляла 5-7,5 мл О2, в то время как в начальной пробе, до начала обработки биопрепаратами, определить величину каталазной активности не удавалось. Содержание гумуса составляло 0,15-0,28% , что свидетельствовало о протекании активного процесса почвообразования.
Таким образом, апробированный способ биологической рекультивации имеет высокую экологическую и социальную значимость, так как направлен на решение таких проблем, как: восстановление плодородия пахотных земель без нанесения плодородного слоя, ликвидация операций по технической рекультивации, возвращение в землепользование техногенно и антропогенно нарушенных земель, использование их под кормовые угодья и т.д. Почва при высушивании обедняется микроорганизмами. Иногда численность их при высушивании образцов почвы уменьшается в 2-3 раза, а нередко в 510 раз. Наиболее стойко сохраняют жизнеспособность актиномицеты, затем микобактерии. Самый высокий процент гибели отмечается среди бактерий. Однако полного вымирания бактерий, даже в условиях длительной засухи почвы, как правило, не происходит. Даже у весьма чувствительных к высушиванию культур имеются единичные клетки, которые длительное время сохраняются в сухом состоянии.
На распределение отдельных микробов сильное влияние оказывает кислотность почвенного раствора. В почвах с нейтральной или слегка щелочной реакцией бактерий бывает значительно больше, чем в кислых, заболоченных или торфяных почвах. Вопрос о распределении микробов в почве освещен недостаточно. Повседневные микробиологические исследования почв показывают, что клетки бактерий размещаются отдельными очагами, в каждом из которых разрастаются и концентрируются клетки одного или нескольких неантагонистических видов [9].
Самый верхний слой почвы беден микрофлорой, потому что находится под непосредственным влиянием вредно действующих на нее факторов: высушивание, ультрафиолетовые лучи солнечного света, повышенная температура и прочее. Наибольшее количество микроорганизмов располагается в почве на глубине 5-15 см, меньше - в слое 20-30 см и еще меньше - в подпочвенном горизонте 30-40 см. Глубже могут существовать лишь анаэробные формы микробов.
Огромное влияние на интенсивность микробиологических процессов имеет обработка почвы. Это связано с нарушением водно-воздушного режима почв [10].
В настоящее время перспективным направлением является оценка и инвентаризация биоразнообразия животного населения почвы. При этом проводятся исследования таксономического и фаунистического разнообразия и оценка разнообразия многовидовых сообществ, изучение их пространственно-временной динамики, устойчивости к антропогенному воздействию.
Библиографический список
1. Певзнер, М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. - М.: Недра, 1990- 230 с.
2. Звягинцев, Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: МГУ, 2005. - 445
с.
3. Розанов, Б.Г. Морфология почв. - М.: Академический проект, 2004. - 432 с.
4. Аристовская, Т.В. Микробиология процессво почвообразования. - Л.: Наука, 1980. - 187 с.
5. Почвоведение: учебник для ун-тов. В 2 ч. / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч.1. Почва и почвообразование / Г.Д. Белицина, В.Д. Василевская, Л.А. Гришина и др. -М.: Высшая школа, 1988. - 400 с.
6. Шкидченко, А.Н. Основы физиологии роста и культивирования микроорганизмов. -Пущино: ПГУ, 2008. - 133 с.
7. Экология микроорганизмов: учебник / под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2004. - 272 с.
8. Горшкова, А.А. Биодиагностика сохранения и восстановления степных пастбищных экосистем Сибири [Текст] / А.А. Горшкова, В.Г. Мордкович, С.К. Стебаева // Сибирский экологический журнал. - 1994. - № 5. - С. 403-416.
9. Пяткин, К.Д., Кривошеин Ю.С. Микробиология. - 4-е изд., перераб., и доп. - М.: Медицина, 1981. - 512 с.
10. Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: МГУ, 1987. - 255 с.
